Текст
Олег Акбаров

Текст
Николай Удинцев

Вчера американская компания Lockheed Martin объявила, что намеревается создать портативный термоядерный реактор . Согласно пресс-релизу, им удалось достичь значительного прогресса в решении неустранимых до настоящего времени проблем, и первый полностью функциональный прототип появится уже в 2019 году. В мире, где колебания цен на энергоносители имеют такое значение, появление такой технологии может глобально изменить не только экологический, но и экономический, и политический ландшафт. Look At Me разобрался в истории проблемы, а также выяснил подробнее, кто такие Lockheed Martin и что они готовят.

Как работает термоядерная реакция

Существующие сейчас ядерные реакторы используют распад ядер атомов сверхтяжёлых элементов, в результате которого образуются более легкие и высвобождается энергия. При термоядерной реакции ядра атомов более лёгких элементов объединяются в более тяжёлые за счёт кинетической энергии теплового движения. Например, по тому же принципу работает Солнце и другие звезды.

Для достижения этого эффекта необходимо, чтобы ядра, преодолев кулоновский барьер , сблизились на расстояние, близкое размеру самих ядер и много меньше размера атома. В таких условиях ядра больше не могут отталкиваться друг от друга, поэтому вынуждены объединиться в более тяжёлый элемент. А при их объединении выделяется значительное количество энергии сильного взаимодействия . Она и является продуктом работы реактора.

Что хотят сделать
в Lockheed Martin

Компания Lockheed Martin на протяжении десятилетий является основным поставщиком Пентагона. На её счету разработка самолёта-разведчика U-2, истребителей F-117 Nighthawk, F-22 Raptor и ещё 22 самолётов. Однако в последние годы количество военных контрактов компании, которая около 90 % своих доходов получает от министерства обороны США, начало снижаться. Поэтому в Lockheed Martin заинтересовались альтернативной энергетикой.

→ Lockheed Martin: Compact Fusion Research & Development

В данный момент управляемую термоядерную реакцию проводят в токамаках или стеллараторах . Это установки в форме тора, которые удерживают высокотемпературную плазму (температура выше миллиона кельвинов) внутри с помощью мощного электромагнита. Проблема такого подхода заключается в том, что на данном этапе получаемая энергия практически равна затрачиваемой на поддержание работы установки.

Главное отличие концепта команды Lockheed Martin от токамака в том, что плазма удерживается другим способом: вместо камер в форме тора используется набор сверхпроводящих катушек. Они создают другую геометрию магнитного поля, которая удерживает всю камеру, где проходит реакция. И чем больше давление плазмы, тем сильнее магнитное поле будет её удерживать.

«Наша технология компактного термоядерного реактора совмещает несколько подходов к проблеме магнитного удержания плазмы и предполагает уменьшение прототипа реактора на 90 % по сравнению с более ранними концептами», - Томас Макгуайр, руководитель подразделения Skunk Works Revolutionaly Technology Programs (является частью Lockheed Martin).

По словам самого Макгуайра, защитившего свою дипломную работу в Массачусетском технологическом институте на тему термоядерного синтеза, он «по сути, соединил разные концепты в единый прототип, восполнив пробелы каждого достоинствами другого». В итоге получился принципиально новый продукт, которым и занимается его команда в Lockheed Martin.

Портативному реактору нужно около 20 кг термоядерного топлива

→ Традиционные реакторы занимают целые полигоны и обслуживаются сотнями специалистов

Несмотря на то что реактор предполагается построить такого размера, чтобы он уместился в прицеп грузовика, его мощности должно хватить на обеспечение энергией маленького города или 80 тысяч домов. Он будет превращать дешевый и экологичный водород (дейтерий и тритий) в гелий. При этом в год портативному реактору нужно около 20 кг термоядерного топлива. Объём его отходов, по словам представителей Lockheed Martin, будет намного меньше отходов от работы, например, угольной электростанции.

Компания хочет построить опытную модель портативного термоядерного реактора к 2016 году, первые прототипы мощностью 100 МВт - к 2019 году, а рабочие модели - к 2024 году. Повсеместное распространение устройств планируется к 2045 году.

Что даст человечеству управляемый термояд

Экологически
чистая энергия

Термоядерная реакция проходит намного безопаснее ядерной. Например, практически невозможным считается выход термоядерной реакции из-под контроля. Если же в реакторе случится авария, то ущерб для окружающей среды будет в разы меньше, чем при аварии на ядерном реакторе. Стоит отметить, что существующие реакции с участием дейтерия и трития всё же выделяют достаточное количество радиоактивных отходов, однако у них короткий период полураспада. При этом перспективные реакции с применением дейтерия и гелия-3 будут проходить почти без их образования.

Полёты
по Солнечной системе

Установка Lockheed Martin - прообраз термоядерного ракетного двигателя (ТЯРД). Такой можно установить на космический корабль для освоения Солнечной системы и ближайшего к Земле космического пространства. Считается, что ТЯРД сможет развивать скорость в 10 % от скорости света (примерно 30 тысяч км/с). В теории эффективность такого двигателя (его удельный импульс) минимум в 20 раз (а максимум - в 9 тысяч раз) превзойдёт эффективность существующих ракетных двигателей.

Практически бесконечный
источник энергии

Поскольку для работы термоядерного реактора нужен водород, топливо для него можно добывать из любой воды. В перспективе вместо трития будут использовать гелий-3, которого достаточно много в земной атмосфере и ещё больше (сотни тысяч тонн) на Луне. Со временем (и при достаточном распространении термоядерной энергетики) компании могут сократить добычу полезных ископаемых для их сжигания на существующих электростанциях.

«Lockheed Martin начала разработку компактного термоядерного реактора… На сайте фирмы говорится о постройке первого опытного образца уже через год. Если это окажется правдой, через год мы будем жить в совершенно ином мире», - это начало одной из «Чердака». Со времени ее публикации прошло три года, и мир с тех пор не так уж сильно изменился.

Сегодня в реакторах атомных электростанций энергия вырабатывается за счет распада тяжелых ядер. В термоядерных же реакторах энергия получается в ходе процесса слияния ядер, при котором образуются ядра меньшей массы, чем сумма исходных, а «остаток» уходит в виде энергии. Отходы ядерных реакторов радиоактивны, их безопасное захоронение - это большая головная боль. Термоядерные реакторы такого недостатка лишены, а также используют широко доступное топливо, такое как водород.

У них есть только одна большая проблема - промышленных образцов еще не существует. Задача непростая: для термоядерных реакций нужно сжать топливо и нагреть до сотен миллионов градусов - горячее, чем на поверхности Солнца (где термоядерные реакции происходят естественным путем). Достичь такой высокой температуры сложно, но можно, только вот потребляет такой реактор энергии больше, чем вырабатывает.

Однако потенциальных достоинств у них все равно так много, что разработкой занимается, конечно же, не только Lockheed Martin.

ITER

ITER - cамый крупный проект в этой области. В нем участвуют Евросоюз, Индия, Китай, Корея, Россия, США и Япония, а сам реактор строится на территории Франции с 2007 года, хотя его история уходит намного глубже в прошлое: о его создании договаривались еще Рейган с Горбачевым в 1985-м. Реактор представляет собой тороидальную камеру, «бублик», в которой плазму удерживают магнитные поля, потому и называется токамак - то роидальная ка мера с ма гнитными к атушками. Энергию реактор будет вырабатывать за счет слияния изотопов водорода - дейтерия и трития.

Планируется, что ITER будет получать энергии в 10 раз больше, чем потреблять, однако будет это не скоро. Изначально планировалось, что в экспериментальном режиме реактор начнет работать в 2020 году, однако затем этот срок перенесли на 2025-й. При этом промышленное производство энергии начнется не раньше 2060 года, а уж ждать распространения этой технологии можно только где-то в конце XXI века.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X - крупнейший термоядерный реактор типа стелларатор. Стелларатор решает проблему, которая преследует токамаки, - «расползание» плазмы из центра тора к его стенкам. То, с чем токамак пытается справиться за счет мощи магнитного поля, стелларатор решает за счет своей сложной формы: удерживающее плазму магнитное поле изгибается, чтобы пресечь поползновения заряженных частиц.

Wendelstein 7-X, как надеются его создатели, в 21-м году сможет проработать полчаса, что даст «билет в жизнь» идее термоядерных станций подобной конструкции.

National Ignition Facility

Еще один тип реакторов использует для сжатия и разогрева топлива мощные лазеры. Увы, крупнейшая лазерная установка для получения термоядерной энергии, американская NIF, не смогла выдать энергии больше, чем потребляет.

Какие из всех этих проектов действительно «взлетят», а кого постигнет участь NIF, предсказать сложно. Остается ждать, надеяться и следить за новостями: 2020-е обещают стать интересным временем для ядерной энергетики.

«Ядерные технологии » - один из профилей Олимпиады НТИ для школьников.

Ученые Института ядерной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) намерены создать в своем институте рабочую модель термоядерного реактора. Об этом изданию «Сиб.фм» сообщил руководитель проекта, доктор физико-математических наук Александр Иванов.

Для разворачивания проекта «Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего» ученые получили правительственный грант. Всего на создание реактора ученым потребуется около полумиллиарда рублей. Построить установку в Институте собираются за пять лет. Как сообщается, исследованиями, связанными с управляемым термоядерным синтезом, в частности физикой плазмы, в ИЯФ СО РАН занимаются давно.

«До сих пор мы занимались физическими опытами для создания класса ядерных реакторов, которые можно использовать в реакциях синтез-деления. Мы добились в этом прогресса, и перед нами встала задача - построить прототип термоядерной станции. К настоящему моменту мы накопили базу и технологии и полностью готовы к началу работ. Это будет полномасштабная модель реактора, которую можно использовать для проведения исследований или, к примеру, для переработки радиоактивных отходов. Технологий для создания такого комплекса много. Они новые и сложные, и требуется некоторое время, чтобы их освоить. Все задачи физики плазмы, которые мы будем решать, актуальны для мирового научного сообщества», - сообщил Иванов.

В отличие от обычной ядерной энергетики, в термоядерной предполагается использование энергии, высвобождаемой при образовании более тяжелых ядер из легких. В качестве топлива предусматривается применение изотопов водорода - дейтерия и трития, однако в ИЯФ СО РАН собираются работать только с дейтерием.

«Мы будем проводить только моделирующие эксперименты с генерацией электронов, но все параметры реакций будут соответствовать реальным. Электроэнергию тоже вырабатывать не будем - только доказывать, что реакция может протекать, что параметры плазмы достигнуты. Прикладные технические задачи будут реализовываться в других реакторах», - подчеркнул заместитель директора Института по научной работе Юрий Тихонов.

Реакции с участием дейтерия относительно недороги и имеют высокий энергетический выход, но при их протекании образуется опасное нейтронное излучение.

«В существующих установках достигнута температура плазмы в 10 миллионов градусов. Это ключевой параметр, который определяет качество реактора. Надеемся повысить температуру плазмы во вновь созданном реакторе в два или в три раза. На таком уровне мы сможем использовать установку как нейтронный драйвер для энергетического реактора. На основе нашей модели могут создаваться безнейтронные реакторы на тритии-дейтерии. Другими словами, созданные нами установки позволят создавать безнейтронное топливо», - пояснил другой заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Александр Бондарь.

We say that we will put the sun into a box. The idea is pretty. The problem is we don"t know how to make the box.

Pierre-Gilles de Gennes
Французский нобелевский лауреат

Всем электронным устройствам и машинам нужна энергия и человечество потребляет её очень много. Но ископаемое топливо заканчивается, а альтернативная энергетика пока что недостаточно эффективна.
Есть способ получения энергии, идеально подходящий всем требованиям - Термоядерный синтез. Реакция термоядерного синтеза (превращение водорода в гелий и выделение энергии) постоянно происходит на солнце и этот процесс дает планете энергию в виде солнечных лучей. Нужно только имитировать его на Земле, в меньшем масштабе. Достаточно обеспечить высокое давление и очень высокую температуру (в 10 раз выше, чем на Солнце) и реакция синтеза будет запущена. Чтобы создать такие условия, нужно построить термоядерный реактор. Он будет использовать более распространенные на земле ресурсы, будет безопасным и более мощным чем обычные атомные станции. Уже больше 40 лет предпринимаются попытки его строительства и ведутся эксперименты. В последние годы на одном из прототипов даже удалось получить больше энергии чем было затрачено . Наиболее амбициозные проекты в этой сфере представлены ниже:

Государственные проекты

Наибольшее внимание общественности последнее время достаётся другой конструкции термоядерного реактора - стелларатору Wendelstein 7-X (стелларатор сложнее по внутреннему устройству чем ITER, который является токамаком). Потратив чуть более 1 млрд. долларов немецкие ученые за 9 лет соорудили к 2015 году уменьшенную, демонстрационную модель реактора. Если он будет показывать хорошие результаты будет построена более масштабная версия.

MegaJoule Laser во Франции будет самым мощным в мире лазером и будет пытаться продвинуть метод строительства термоядерного реактора, основанный на использовании лазеров. Ввод французской установки в строй ожидается в 2018 году.

NIF (National ignition facility) было построено в США за 12 лет и 4 млрд. долларов к 2012. Они рассчитывали протестировать технологию и после сразу строить реактор, но оказалось, что, как сообщает википедия - considerable work is required if the system is ever to reach ignition. В результате грандиозные планы были отменены и ученые занялись постепенным совершенствованием лазера. Последняя задача - поднять эффективность передачи энергии с 7% до 15%. Иначе финансирование от конгресса этого метода достижения синтеза может прекратится.

В конце 2015 года в Сарове началось строительство здания для самой мощной в мире лазерной установки. Она будет мощнее текущей американской и будущей французской и позволит провести эксперименты необходимые для строительства «лазерной» версии реактора. Завершение строительства в 2020 году.

Расположенный в США лазер - MagLIF fusion признается темной лошадкой среди методов достижения термоядерного синтеза. Недавно этод метод показал результаты лучше ожидаемых, но мощность всё ещё нужно увеличить в 1000 раз. Сейчас лазер проходит апгрейд, и к 2018 учёные надеются получить столько же энергии, сколько потратили. В случае успеха будет построена увеличенная версия.

В российском ИЯФ упорно проводили эксперименты над методом «открытых ловушек» от которого отказались США в 90е. В результате были получены показатели, считавшиеся невозможными для этого метода. Учёные ИЯФ полагают, что их установка сейчас находится на уровне немецкой Wendelstein 7-X (Q=0.1), но дешевле. Сейчас за 3 млрд. рублей они строят новую установку

Руководитель Курчатовского института постоянно напоминает о планах построить в России небольшой термоядерный реактор - Игнитор. По плану, он должен быть также эффективен как ITER, хоть и меньше. Строительство его должно было начаться ещё 3 года назад, но такая ситуация типична для крупных научных проектов.

Китайский токамак EAST начале 2016 года сумел получить температуру в 50 млн. градусов и продержать её 102 секунды. До начала постройки огромных реакторов и лазеров все новости про термоядерный синтез были такими. Можно было подумать, что это просто соревнование среди ученых - кто дольше удержит всё более высокую температуру. Чем выше температура плазмы и чем дольше её удается удерживать - тем мы ближе к началу реакции синтеза. Таких установок в мире десятки, ещё несколько () () строится так что скоро рекорд EAST будет побит. В сущности, эти небольшие реакторы, это просто тестирование оборудования перед отправкой в ITER.

Lockheed Martin объявил в 2015м о прорыве в термоядерной энергетики, который позволит им построить небольшой и мобильный термоядерный реактор за 10 лет. Учитывая, что даже очень большие и совсем не мобильные коммерческие реакторы ожидались не ранее 2040 года, заявление корпорации было встречено скептически. Но компания располагает большими ресурсами так что кто знает. Прототип ожидается в 2020 году.

Популярный в кремниевой долине стартап Helion Energy имеет свой уникальный план по достижению термоядерного синтеза. Компания привлекла больше 10 млн долларов и рассчитывает создать прототип к 2019.

Держащийся в тени стартап Tri Alpha Energy недавно добился впечатляющих результатов в продвижении своего метода термоядерного синтеза (теоретиками было разработано >100 теоретических способов добиться синтеза, токамак просто самый простой и популярный). Компания также привлекла более 100 млн долларов средств инвесторов.

Проект реактора от Канадского стартапа General Fusion ещё больше не похож на остальные, но разработчики в нем уверены и привлекли за 10 лет больше 100 млн. долларов, чтобы построить реактор к 2020 году.

Стартап из Соединенного королевства - First light имеет самый доступный для понимания сайт, образовался в 2014 году, и объявил о планах использовать последние научные данные для менее затратного получения термоядерного синтеза.

Ученые из MIT написали статью с описанием компактного термоядерного реактора. Они уповают на новые технологии, появившиеся уже после начала строительства гигантских токамаков и обещают осуществить проект за 10 лет. Пока неизвестно будет ли им дан зеленый свет на начало строительства. Даже в случае одобрения, статья в журнале, это ещё более ранняя стадия чем стартап

Термоядерный синтез - это, пожалуй, наименее подходящая для краудфандинга индустрия. Но именно с его помощью и также с финансированием НАСА, компания Lawrenceville Plasma Physics собирается построить прототип своего реактора. Из всех реализуемых проектов, этот больше всего похож на мошенничество, но кто знает, может, что-то полезное они привнесут в эту грандиозную работу.

ITER будет только прототипом для постройки полноценной установки DEMO - первого коммерческого термоядерного реактора. Его запуск сейчас запланирован на 2044 год и это ещё оптимистичный прогноз.

Но есть планы и на следующий этап. Гибридный термоядерный реактор будет получать энергию и от распада атома (как обычная атомная станция) и от синтеза. В такой конфигурации энергии может быть в 10 раз больше, но безопасность ниже. Китай рассчитывает построить прототип к 2030, но эксперты говорят, что это всё равно что пытаться собрать гибридные автомобили до изобретения двигателя внутреннего сгорания.

Итог

Нет недостатка в желающих принести в мир новый источник энергии. Наибольшие шансы есть у проекта ITER, учитывая его масштаб и финансирование, но другие методы, а также частные проекты не стоит сбрасывать со счетов. Ученые десятки лет трудились над запуском реакции синтеза без особых успехов. Но сейчас проектов по достижению термоядерной реакции больше чем когда-либо. Даже если каждый из них провалится, новые попытки будут предприняты. Вряд ли мы успокоимся, пока не зажжем миниатюрную версию Солнца, здесь, на Земле.

Теги: Добавить метки

Правительственный грант на строительство рабочей модели термоядерного реактора в рамках проекта «Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего» получил , передаёт Сиб.фм .

«До сих пор мы занимались физическими опытами для создания класса ядерных реакторов, которые можно использовать в реакциях синтез-деления. Мы добились в этом прогресса, и перед нами встала задача – построить прототип термоядерной станции. К настоящему моменту мы накопили базу и технологии и полностью готовы к началу работ. Это будет полномасштабная модель реактора, которую можно использовать для проведения исследований или, к примеру, для переработки радиоактивных отходов. Технологий для создания такого комплекса много. Они новые и сложные, и требуется некоторое время, чтобы их освоить. Все задачи физики плазмы, которые мы будем решать, актуальны для мирового научного сообщества», – сообщил руководитель проекта Александр Иванов .

Как пояснил заместитель директора института по научной работе Юрий Тихонов , разработанный реактор будет отличаться от реальной термоядерной станции тем, что здесь не будет использоваться тритий, а только дейтерий. К тому же реактор не предназначен для выработки электроэнергии, к чему стремятся учёные, работающие над управляемым термоядерным синтезом во всём мире.

«Мы будем проводить только моделирующие эксперименты с генерацией электронов, но все параметры реакций будут соответствовать реальным. Электроэнергию тоже вырабатывать не будем – только доказывать, что реакция может протекать, что параметры плазмы достигнуты. Прикладные технические задачи будут реализовываться в других реакторах», – подчеркнул Юрий Тихонов.

«В существующих установках достигнута температура плазмы в 10 миллионов градусов. Это ключевой параметр, который определяет качество реактора. Надеемся повысить температуру плазмы во вновь созданном реакторе в два или в три раза. На таком уровне мы можем использовать установку как нейтронный драйвер для энергетического реактора. На основе нашей модели могут создаваться безнейтронные реакторы на тритии-дейтерии. Другими словами, созданные нами установки позволят создавать безнейтронное топливо», – пояснил заместитель директора ИЯФ по научной работе Александр Бондарь .

Учёные надеются построить действующую модель реактора за пять лет.

ИЯФ СО РАН – один из двух сибирских институтов (второй – Институт археологии и этнографии), выигравший грант Российского научного фонда на проведение фундаментальных научных исследований.